JPH02275143A - 回転機械用電磁ダンパーシール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転機械の回転軸に沿っての流体もれを防ぐ
ために用いられるラビリンスシール装置と、回転軸に減
衰を付与するダンパー装置に関し、特にこの二つの用途
を兼ね備えた回転機械用電磁ダンパーシール装置に関す
る。

〔従来の技術〕

一般に、ターボ機械などの回転機械においては、ケーシ
ング内部と外部との間あるいは高圧部と低圧部との間の
流体もれを防ぐためにラビリンスシール装置が、また、
回転軸を支持するために軸受装置が設けられている。ま
た、一般に軸受には潤滑油が用いられており、この潤滑
油が機械の作動流体へ混入するのを防ぐためのシールも
設けられている。

第７図は単段遠心コンプレッサの縦断面図であり、コン
プレッサでは、低圧の流体を吸込管１より吸込み羽根車
２にて回転ａ３からの動力により流体を圧縮し、吐出管
４よりその流体を昇圧して送り出すようになっている。

スラスト軸受５とラジアル軸受６に支持された回転軸３
の周面とこれに近接するケーシング７の内周面との間に
、複数のシールフィン８からなるラビリンスシールＡ。

Ｂがそなえられている。

上記のように、一般の回転機械には、ダンパー装置は備
えられていない。

ラビリンスシ・−ルに関連するものとして例えば実用新
案公報（昭６３−１６９３８）が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では１機器の高速化に伴いラビリンスシー
ル部等で発生する流体力に起因する自励振動が機器に発
生し１機器の信頼性や効率向上を妨げる問題があった。

また、シール部において減衰作用は考慮されておらず、
新たに回転軸に減衰作用を付加する場合、ダンパー装置
は軸長の増大化とともに機器の大型化と回転軸系の剛性
低下をまねく問題があった。

また、機器の大型化はコストアップにつながり。

回転軸系の剛性低下は低い定格回転数の設定となり機器
の効率向上を妨げる問題があった。

本発明の目的は、上記問題点を解決するため、能動型電
磁石の特徴を用いて、自励振動が発生し難いシール手段
を提供することにある。また、シール作用とダンパー作
用を同時に果たすコンパクトなダンパーシール装置を提
供することにある。

と同時に、電磁ダンパーは発熱によりその機能低下をと
もなうため、これの対策として効率のよい放熱手段を有
する電磁ダンパー装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、ダンパー装置として能動型の
電磁石を用いた電磁ダンパー装置と、この電磁ダンパー
の回転軸側の面を静止部としてこの面に対向する回転軸
外周面とでラビリンスシールを形成する構造を採用した
ものである。

また、電磁ダンパー装置の制御回路として、クロス回路
と呼んでいる、一方の信号を他方のサーボ回路に加算人
力し、他方の信号を一方のサーボ回路に減算入力する手
法を用いているものである。

クロス回路とは、次に示す振動の特性から考案された、
微分回路を要せずに微分信号すなわち減衰作用を得る手
段である。

簡単のため、回転軸が等方性支持された不っりあい振動
の場合について示す。その不っりあい振ＺＨ＝ａｗ　０
　ｅ となる。

すなわち １θ　ｔ ａ　＝　ａＮ　′　ｅ である。

ここに注目すべきことは の関係が成立していることである。

これは、不つりあい振動が円軌道となりＸ軸からＹ＃へ
と回転と同方向に進むことに関係する。

このような円軌道では、Ｘ振動の９０″前の振動は＝Ｙ
捩振動予見され、Ｙ振動の９０°前の振動はＸ振動と予
見される。この予見は、微分操作を意味していることか
ら上式が物理的にうなずける。

さらに、電磁ダンパーの放熱手段として、放熱フィン及
びヒートポンプを設けた捕造としたものである。

また、シール室を形成する手段として、電磁ダンパーを
構成している電磁鋼板の内径や外径の異なるものを積層
して構成する手法を採用したものである。

〔作用〕

ダンパー装置として能動型の電磁石を用いたｍ磁ダンパ
ー装置は、潤滑油などを介さず回転軸を非接触で回転保
持できるので１回転軸と電磁ダンパーとの間の隙間を有
効に利用可能である。本発明では、電磁ダンパ　の回転
軸側に内接して設けた円筒部を静止側とする面とこの面
に対向する回転軸外周面とでラビリンスシールを形成す
るので、はぼダンパー幅のみの長さでシール作用とダン
パー作用の前作用の効果を達成でき、コンパクトな電磁
ダンパーシール装置が構成される。

ここでのダンパー装置は、回転軸を支持する必要はなく
、ダンパー作用（制振作用）のみすればよい。従って、
このダンパー装置の制御力ｐモとしては、一般の電磁軸
受の制御回路のような電子回路的手法による微分信号な
どの生成を必要とせず回転軸の変位信号から直接ダンパ
ー作用を果たす制御信号を生成する。クロス回路方式が
最適である。この結果、制御回路構成を大幅に簡略化で
き、電磁ダンパー設置による機器のコストアップを最小
限にとどめることができる。

次に電磁石ダンパーとしての機能を説明する。

この例は、能動型電磁石の構成要素である制御回路との
組合せにより、回転軸系に発生する自励振動を抑制する
構成例である６ 一般にラビリンスシール部の流体力に起因して発生する
自励振動に関して、その流体力をすべり軸受の油膜反力
にたとえて、よく次のように説明される。

Ｆｙ”　ｋｙ、ｘＸ＋　ｋｙｙＹ　＋　ＱｙｘＸ＋　ｃ
ｙｙＹただし、　Ｆｘ、　Ｆｙ　ｉ　Ｘ方向及びＸ方向
への流体反力 に＋Ｊ（１ｒ　ｊ＝　ｘＴ　ｙ）　；弾性定数ｅｔＪ（
１＋　Ｊ＝）（、ｙ）；減衰定数概念的に述べると、ｋ
　ｘｘやｋｙｙあるいはＣＸＦやＣｙｘは、剛性として
作用する。また＋　ｃＸＸやＱｙｙは減衰として作用す
るので回転軸系に安定化作用を及ぼす。しかし、ｋｘｙ
やｋｙｘはＸ方向とＸ方向のクロス項を示し、回転軸振
動に対して不安定化作用を起こす要因となる。すベリ軸
受では特に。

ｋ　ｘｙ＜　Ｏ、ｋ　ｙ−＜　Ｏとなる回転数において
は、回転軸系にオイルウィップと呼ばれる前向きの不安
定振動が発生することが知られている。すべり軸受等で
は、受動素子であるため、この定数の符号を変えること
はできない、しかし、電磁ダンバーは電子回路の構成に
よって、この符号の逆転が可能である。すなわち、ｋｘ
ｙ＜Ｏでｋｙｘ＞Ｏとなるように各方向制御回路のチャ
ンネルをクロスさせれば、前向き（自転の方向と公転の
方向が一致している）の振動に対する安定性を向上させ
ることができる。

一般に自励振動の振動数は回転軸系固有の振動数として
予測でき、かつその旋回方向は前向きである。この振動
を防止するための制御回路が第３図に示すものである。

ここでの制御回路の特徴は。

検出信号成分のうち制振しようとする周波数成分をトラ
ッキングフィルターで抽出し、その抽出された信号を異
符号でクロス結合させて、微分信号すなわち制振作用を
発生させようとするものである。

電磁ダンパーの密閉部外周に設けた放熱フィンは、放熱
面積の増大により、＃ｉ電磁石発生した熱な効率よく放
熱する。また、電磁石と密閉部材に接して設けられたシ
ートポンプにより、電磁石に発生した熱は効率よく密閉
部材に運ばれ密閉部外周の放熱フィンにより放熱される
。

ここでの電磁ダンパー装置は、渦電流による損失を防ぐ
ため、静止部及び回転部はともに薄い電磁鋼板を回転軸
方向に積層した構造となっている。

そこで例えば、回転部に積層される電磁鋼板に外径の異
なる二種類を使用し、外径の大きい方をシールフィンと
して隣接するシールフィンによりシール室を形成する。

〔実施例〕

以干、本発明の実施例を第１図及び第２図より説明する
。第１図は本発明の縦断面図を第２！！Ｉは第１図の１
−１断面図を示し、第１図には制御回路も含めて示す、
この例では、シールフィン８からなるシール室１６を能
動型電磁石の両側に設け、電磁石の磁極１０部はストレ
ートシールとして、この磁極１０部の回転軸３との隙間
を本来の電磁石と同等かそれ以下にしている。

電磁ダンパーは、センサー９により非接触で回転軸３の
位置を検出し、制御装置によりこれをフィードバック制
御することで、回転軸３に非接触で減衰作用を付与して
いる。またこの例では、磁極１０間を含め電磁石全体を
エンジニアリングプラスチックやセラミックス等で充填
密閉し、この充填密閉材１７の磁極１０の両側に相当す
る部分と回転軸３部で複数のシール室１６を構成する構
造となっている。なお、シール室１６を構成しているシ
ールフィン８の形成は回転軸３部に外径の異なる電磁鋼
板１５を積層することで行っている。

第１図において、１８Ｘと１８Ｙはそれぞれ通常のＸ方
向およびＹ方向の制御回路である。この場合、フィルタ
ー２０には、自励振動の固有振動数に等しい周波数を発
生する発振器２１の信号ω０がトレガーとして入力され
る０次に、検出したＸ方向及びＹ方向の振動変位の中で
、この自励振動成分Ｘ１及びＹｊを抽出する。自励振動
は前向き旋回運動であるから前述の（２）式が成立する
ので、トラッキングフィルター２０の出力Ｘｚ及びＹｚ
に対してそれぞれ微分信号Ｙ、及びＸ、と見立てれば良
いことになる。そこで、ＹｌからＸチャンネルへは負で
Ｘｓ　からＹチャンネルへは正でクロス加算入力するこ
とにより、振動を抑える減衰作用を電磁ダンパーに発生
させることができる。

実際のクロス人力は、各々１倍して入力することになり
第１図にも示している。このようにしてチャンネルクロ
スで加算と減算入力することにより、自励振動成分に対
する反力は Ｆｙ”　ａ　Ｙｉ＝ｋｙｘＸ で表わされることになる。このことは、ｋ−ｙ＜０でに
−ｙ＞Ｏに設定することに相当する。よって、回転軸の
前向き振動に対する減衰性向上を計ろうとする目的が達
成される４ また、電磁ダンパーはその構成上センサーを有しており
、自励振動の発生源のその点で振動検出と振動抑制のた
めの減衰作用の発生が同時に可能となり、非常に効率の
よい振動抑制が図れる。

次に、本発明の他の実施例を第３図及び第４図により説
明する。第４図は本発明の縦断面図を第３図は第４図の
１−１断面図を示し、完全密閉されたｆＩｔｌｌｊｌ型
電磁石で構成される電磁ダンパーとこの密閉部の回転軸
３に面する側を静止部としこれに対向する回転軸３の外
周面にシールフィン８を設けてラビリンスシールを形成
している構成例である。

電磁ダンパーは１回転軸３の位置を検出するセンサー９
と電磁鋼板１５を積層してなる磁極１０部とこれを磁化
するためのコイル１１からなる電磁石を、熱伝導のよい
部材１２特に回転軸側の面は磁極１０に内接する円筒構
造の非磁性部材１３で構成した部材で覆った密閉構造と
なっている。

また、この密閉部外周に熱伝導の優れた部材で構成され
た放熱フィン１４を設けた構造となっている。また、コ
イルの電流を制御する制御装置（図示せず）も構成要素
の一つである。

積層電極鋼板１５を電磁石と対向する位置に結合固定し
て有する回転＠３において、この電磁鋼板に外径の異な
る二種類を使用し、外径の大きい方をシールフィン８と
して上記密閉部材との間にせまい隙間を設け、隣接する
シールフィン８によりシール室１６を形成し、ラビリン
スシールを構成している。

電磁ダンパーは、センサー９により非接触で回転軸３の
位置を検出し、コントローラによりこれをフィードバッ
ク制御することで、回転軸３を非接触で回転保持する。

磁極１０及びこれに対向する回転軸部は薄い電磁鋼板１
５の積層で構成され、渦電流損を低減している。

密閉部外周に設けられた放熱フィン１４は、電極石部に
発生する熱を放熱面積の増大により効率よく放熱する役
目を果たしている。

磁極部に内接して設けられた非磁性部材からなる薄肉円
筒の内面と回転軸３上の°電極鋼板１５により形成され
たシールフィン８でラビリンスシールを構成し、ダンパ
ーの両側間でのシール作用を果たしている。

これらにより、ダンパー作用とシール作用を同時に果た
す構成となり前記の問題点を解決し、コンパクトなダン
パー軸受シール装置を提供できる。

また、上記の密閉構造として、ダンパーの片側が開放構
造である構成としても、本発明の目的は達成できる。さ
らに、放熱フィンがなくとも本来の目的は達成できる。

上記の薄肉円筒において、シール室１６内の圧力により
、変形が問題となる場合は、第５図に示すように磁極１
０部以外を厚肉とする構造で対処できる。

また、本発明の他の実施例を第６図により説明するにの
例では、゛電磁石を密閉構造とするかわりに、磁極１０
間を例えばセラミックス等の充填材１７で充填し、磁極
１０の回転軸３側の面に沿う円筒となるよう構成してい
る。この結果、上記の例のような非磁性部材１３による
電磁ダンパーとしての隙間増大が生ぜず、その他シール
フィン等は上記の例と同一構成のため、有効なダンパー
作用とシール作用を有するコンパクトな電磁ダンパーシ
ール装置を提供できる。

この結果、本来の電磁ダンパーの作用を損なうことなく
シール及びダンパーの内作用を有効に達成できる。

尚、上記例のシールフィンから構成されるシール室は電
磁石の片側のみでも、本発明の目的を損なうものではな
い。

上記の全ての例では、回転部にシールフィンを設けてい
るが、静止部に設けても発明の本来の目的であるコンパ
クトな電磁ダンパーシール装置を提供できる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果がある。

１、能動型電磁石の構成要素である制御装置の制御方法
により、ラビリンスシール等が起因で発生する自励振動
を抑制でき、機器の高速化とこれに伴う高効率化が達成
できる効果がある。また、信頼性の向上を図れる効果も
ある。

２、シール室の形成を外径の異なる電磁鋼板の積層で構
成することにより、シール室形成の簡略化とシール室作
成の工程を省略でき、機器製作における低コスト化を図
れる効果がある。

３、ダンパー作用とシール作用を同時に果たす電磁ダン
パーシール装置の採用により、ターボ機械における回転
軸長の短軸化を図れる効果がある。

４、回転軸系の短軸化は機器全体のコンパクト化となり
低コスト化を図れる効果がある。

５、回転軸系の短軸化は、他の剛性アップとなり、それ
は定格回転数の上昇となり機器の効率アップを図れる効
果がある。

６、放熱フィン及びヒートポンプの設置は、電磁石に発
生する熱を効率よく放熱し、電磁ダンパーの効率アップ
を図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の縦断面図、第２図は第１図に
おけるｌ−１断面図、第３図は第４図におけるＩ−Ｉ断
面図、第４図は本発明の他の実施例の縦断面図、第５図
は本発明の他の実施例の縦断面図、第６図は本発明の他
の実施例の縦断面図、第７図は従来ターボ機械の縦断面
図。 ３・・・回転軸、８・・・シールフィン、１０・・・磁
極、１１・・・コイル、１２・・・部材、１３・・・非
磁性部材、１４・・・放熱フィン、１５・・・電磁鋼板
、１６・・・シール室、 １７・・・充填材、 １８・・・制御回路、 １９・・・バ 罰　ｉ　　図 巣　Ｚ　図 ３−一一回学オ軸 ｑ　　−−−ｔシサー １θ−一一膚」ｂ １１−−−コイル １５−−一電脇釧板 ／７−−−充嬶訣 １８−ｍ−制御回路 １９−−−ハ０ワーアシフ１ ２ρ−−−フィルクー ２＋　　−ｍ−屓５扱１象 ｚ２−−一之シｆ−アジア。 ３−−一回転軸 ど−−−シールフイン １０−　　磁極 １１−　　コイル １５−−一電簾研級 １６−−−　シール室 １７−−−充嬶浜 て　３　困 １６−−−シール呈 第　５　図 ３−ｍ−回転軸 ｑ−−−ぜシブ− ＩＯ−一一湊極 １１−　　コイル １３・−非磁悦郁林 冨　４　図 ｂ ３−−−ユ転徊 ９−−−セノブー １０−−−　、磁極 ！＋−−−コイル １ｚ−一一卦杆 １３−　　非磁イ・二づ７ＳＪ−￥ １５−　　電７蜂メ脹 篤　６　図 ノ ３−ｍ−回転軸 ９−−一　乞シブ− １Ｏ−−一鎮極 ／Ｉ−一・−コイル １′７−−−光填υ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転機械の回転軸に沿う高圧部から低圧部への流体
   もれを防止すべく、同回転軸の外周面とこれに近接する
   静止部との間に、複数のシールフィンからなるラビリン
   スシールをそなえ、また回転軸にダンパー作用を与える
   べく、能動形電磁石と制御装置から構成される電磁ダン
   パーをそなえ、その制御装置は、回転軸の半径方向位置
   の直角方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向とする２チャン
   ネルのサーボ回路を有し、回転軸の振動の中から制御す
   る周波数成分を抽出する手段をそのサーボ回路内に設け
   、検出したＸ方向及びＹ方向信号を前記選択抽出手段に
   入力し、その出力信号のＸ方向信号及びＹ方向信号のう
   ち一方の方向の信号は他方の方向はサーボ回路に加算入
   力し、かつ、他方の方向は信号を一方の方向のサーボ回
   路に減算入力される手段を備え、前記ラビリンスシール
   の静止部として能動形電磁石の回転軸側の面を利用する
   ことを特徴とする、回転機械用電磁ダンパーシール装置
   。 ２、電磁ダンパーとして、磁極間をエンジニアリングプ
   ラスチックやセラミックス等の充填材で充填した能動形
   電磁石を採用していることを特徴とする、特許請求の範
   囲第１項記載の回転機械用電磁ダンパーシール装置。 ３、電磁ダンパーとして、全密閉形の能動形電磁石を採
   用していることを特徴とする、特許請求の範囲第１項記
   載の回転機械用電磁ダンパーシール装置。 ４、電磁石の密閉手段として、磁極間を含め全体を、エ
   ンジニアリングプラスチックやセラミックス等で充填及
   び密封した能動形電磁石を採用していることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項記載の回転機械用電磁ダンパ
   ーシール装置。 ５、電磁ダンパーとして、反作動流体側を開放した形の
   能動形電磁石を採用していることを特徴とする、特許請
   求の範囲第１項記載の回転機械用電磁ダンパーシール装
   置。 ６、電磁ダンパーの放熱補助手段として、密閉部外周に
   放熱フィンを設けたことを特徴とする、特許請求の範囲
   第３項ないし第５項のいずれか記載の回転機械用電磁ダ
   ンパーシール装置。 ７、電磁ダンパーの放熱補助手段として、密閉部内周に
   接してヒートポンプを設けたことを特徴とする、特許請
   求の範囲第３項ないし第６項のいずれか記載の回転機械
   用電磁ダンパーシール装置。 ８、耐腐食の面あるいは耐接触の面から、これらの対応
   箇所を、それらに適合した部材によりコーティング処理
   したことを特徴とする、特許請求の範囲第１項ないし第
   ６項のいずれか記載の回転機械用電磁ダンパーシール装
   置。 ９、複数のシールフィンから複数のシール室を形成する
   手段として、電磁ダンパーを構成している電磁鋼板の、
   内径あるいは外径の異なるものを積層することにより達
   成することを特徴とする、特許請求の範囲第１項ないし
   第８項のいずれか記載の回転機械用電磁ダンパーシール
   装置。